氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化【17張圖紙和說(shuō)明書(shū)答辯稿】

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畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） （ 屆本科） 題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 3 1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義 3 1.2 國(guó)內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況 3 1.2.1 國(guó)外氣力式排種器的發(fā)展概況 4 1.2.2 國(guó)內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 4 1.3 本文研究的內(nèi)容 5 第二章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 6 2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理 6 2.1.1 總體結(jié)構(gòu) 6 2.1.2 工作原理 7 2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計(jì) 8 2.2.2 排種滾簡(jiǎn)內(nèi)部正負(fù)壓腔的設(shè)計(jì) 8 2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 2.4 本章小結(jié) 11 第三章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析 12 3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定 12 3.1.1 吸附力及其影響因素 12 3.1.2 吸種高度及影響因素 13 3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過(guò)程及其影響因素的分析 16 3.2.1種子從種箱到被吸孔吸附過(guò)程分析 17 3.2.2 種子被吸附到滾筒上并隨之運(yùn)動(dòng)的條件 19 3.3 氣吸滾筒式精密排種器的排種過(guò)程分析 20 3.3.1 排種誤差 20 3.3.2 種子落地碰撞角和碰撞速度 23 3.3.3 排種過(guò)程影響因素分析 24 3.4 本章小結(jié) 24 第四章 氣吸滾筒式精密排種器氣流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真 25 4.2 ANSYS仿真初始邊界條件的設(shè)定 26 4.2.1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀及初始化條件 26 4.3 仿真結(jié)果 28 4.3.1 吸孔形狀對(duì)吸種性能的影響 28 4.3.2 吸孔導(dǎo)程對(duì)吸種性能的影響 31 4.3.3 吸孔孔徑大小對(duì)吸種性能的影響 32 4.3.4 吸種滾筒內(nèi)部負(fù)壓區(qū)氣流場(chǎng)仿真 34 4.3.5 吸種滾筒內(nèi)部正壓區(qū)氣流場(chǎng)仿真 36 4.4 本章小結(jié) 38 第五章 總結(jié)與展望 39 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 43 摘 要 世界各國(guó)都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加作物產(chǎn)量。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)并制造了一種新型的氣吸滾筒式精密排種器。該排種器具有以下的特點(diǎn):首先，對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了一根主軸形成兩個(gè)壓腔的設(shè)計(jì)方法，既保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長(zhǎng)了軸承的使用壽命。其次，由于采用了彈簧結(jié)構(gòu)，在隔氣板與滾筒內(nèi)壁接觸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，減少了因摩擦而導(dǎo)致的磨損漏氣的問(wèn)題。第三，對(duì)種箱進(jìn)行了激振，使種子在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于滾筒的吸種。 結(jié)合該氣吸滾筒式精密排種器，本文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作: 1.對(duì)氣吸滾筒式精密排種器的吸種及排種過(guò)程進(jìn)行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學(xué)模型，并對(duì)影響吸排種效果的因素進(jìn)行了分析。 2.運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)吸孔及正負(fù)壓腔的氣流場(chǎng)進(jìn)行了建模與仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明:直孔的吸種性能比錐形孔和沉孔好:孔徑越大，吸種能力越強(qiáng);吸孔導(dǎo)程對(duì)吸種性能無(wú)顯著影響;滾筒壁上的吸孔靠近正負(fù)壓腔氣流大的地方，受到氣流的影響也較大。 通過(guò)對(duì)氣吸滾筒式精密排種器的理論分析和計(jì)算機(jī)仿真，得到了一些規(guī)律，為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞:精密播種;氣吸滾筒式精密排種器;有限元分析;理論分析; ABSTRACT Precision seeding is attached importance to by all over the world,for it can save a lot of seeds and much time to plant them and increase the output.Basing on researching domestic and foreign air-suction cylinder precision seeder,a new type of air-suction cylinder precision seeder was designed and manufactured.There are some merits of the seeder:First,the main shaft with two cavums was optimized which reduced the abrasion and prolonged the life of the bearings.Second,the spring structure was adopted,so the gas leakage between the plastic board and the seeder's wall was eliminated because of friction.Third,the seeds box was vibrated that availed picking up seeds. Basing on the air-suction cylinder precision seeder,the research was done as follows: 1. Seed pick up and seed ejection were theoretically analyzed and mathematical models of pick up force,pick up distance,release error,impact angle and impact velocity were deduced. 2. ANSYS finite element analysis software was used to develop the model and simulate the air flow distribution of the sucking holes,positive and negative cavums.The results showed that the performance of straight holes were better than conical holes and countersunk holes; the bigger of the diameter of the holes ,the better of their sucking effect, but the distance of air traveling had nearly no influence to sucking effect; the holes which were close to the air flow in the wall of the drum-seeder were influenced notably. Through computer simulation and theoretical analysis,some laws useful for practical application were found. KEY WORDS:Precision seeding; Air-suction cylinder precision seeder; Finite element analysis; Theoretical analysis; 第一章 緒論 1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義 世界各國(guó)都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家已基本實(shí)現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著，但對(duì)油菜、谷子等小顆粒作物的精播技術(shù)有待進(jìn)一步的研究【1】。本文以油菜種子為例，探討了小顆粒種子的精播問(wèn)題。 油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多為球形或近似球形的小顆粒，其直徑為1.27-2.05【2，3】。油菜在我國(guó)常年種植面積約為800萬(wàn)公頃，其種子含油量為30%-50%，是我國(guó)重要的油料作物。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一，占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的30%左右。根據(jù)資料顯示，1996年以來(lái)，菜籽油占我國(guó)食用植物油消費(fèi)量的近35%。當(dāng)前我國(guó)油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)量高，市場(chǎng)需求量和發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆?000年全國(guó)油菜種植面積擴(kuò)大到800萬(wàn)公頃，產(chǎn)量達(dá)到1013萬(wàn)噸。隨著人們生活水平的提高，對(duì)植物油的消費(fèi)也日益增長(zhǎng)，加工能力膨脹對(duì)油料需求加大，我國(guó)從1999年開(kāi)始進(jìn)口油菜籽，1999年以來(lái)每年進(jìn)口油菜籽250萬(wàn)噸左右，特別是近幾年來(lái)，進(jìn)口油菜籽產(chǎn)品的數(shù)量有呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)【4】。 自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)雙低油菜發(fā)展迅速，但油菜播種基本為開(kāi)溝人工溜種，播量較大，不但浪費(fèi)種子，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且播種質(zhì)量難以保證，遇干早缺苗嚴(yán)重，遇雨澇出苗過(guò)稠，間苗、定苗費(fèi)工，并易形成高腳弱苗，影響產(chǎn)量。因此對(duì)優(yōu)質(zhì)油菜種子進(jìn)行精密播種迫在眉睫。精密播種優(yōu)越性有如下幾點(diǎn): 1.精密播種可以節(jié)約大量種子。 2.節(jié)省田間間苗定苗用工。精密播種苗齊苗壯，不擁擠，可提高田間間苗定苗工效，甚至可以取消間苗定苗工作。 3.可增加作物產(chǎn)量。精密播種的苗分布均勻，透風(fēng)透光性好，能充分利用土壤中的水分營(yíng)養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產(chǎn)10%-30%。 本課題根據(jù)油菜種子的特性，對(duì)其精密播種部件一滾筒氣吸式精密排種器開(kāi)展研究工作，為推進(jìn)精播小顆粒種子的機(jī)械化進(jìn)程開(kāi)創(chuàng)一條新路。 1.2 國(guó)內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況 精密排種器按其工作原理可分為機(jī)械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種;機(jī)械式主要有窩眼輪式、圓盤(pán)式、指夾式等。氣力式排種器具有對(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)，損傷輕等優(yōu)點(diǎn)。 1.2.1 國(guó)外氣力式排種器的發(fā)展概況 在國(guó)外的產(chǎn)品中，精密排種器主要以針式和滾筒式為主，滾筒式排種器較針式播種機(jī)效率更高【5】。 國(guó)外從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始出現(xiàn)氣力式精密排種器。20世紀(jì)60年代以來(lái)，前蘇聯(lián)、英、德等國(guó)都相繼提出了麥類(lèi)作物精播理論，并對(duì)小麥精播機(jī)做了大量的試驗(yàn)研究。1976年前后，德國(guó)研制了GS-23氣吸式小麥精密播種機(jī)，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該機(jī)難以實(shí)現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴(yán)重。后來(lái)法國(guó)研制出一種單粒氣吸式小區(qū)播種機(jī)，它的排種器是一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤(pán)，盤(pán)的周緣分布著若干個(gè)吸嘴與圓盤(pán)內(nèi)腔的真空負(fù)壓相連。該機(jī)通過(guò)更換不同的吸嘴可以播種小麥、玉米、向日葵等作物。奧地利的Wintersteiger自走式小麥精播機(jī)也屬于氣吸式精量播種機(jī)，該機(jī)的排種器是一對(duì)組合吸縫盤(pán)和驅(qū)動(dòng)格輪，由兩個(gè)不同形狀隙縫的交叉形成一系列不同形狀的吸孔。它沒(méi)有輸種管，排種器與開(kāi)溝器融于一體，投種點(diǎn)低，有利于精密粒距的形成。該機(jī)主要用于田間小區(qū)試驗(yàn)，在許多國(guó)家和地區(qū)得到推廣應(yīng)用。為了滿足本國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，盡快提高精密播種機(jī)的作業(yè)速度，近十年來(lái)，歐美國(guó)家著重對(duì)氣力式精密排種器進(jìn)行了研究【6】。當(dāng)前，國(guó)外播種機(jī)械的發(fā)展方向已從對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)移到對(duì)播種原理的研究上，比如蔬菜種子的精播問(wèn)題。目前國(guó)外正在利用一些新的播種原理，如日本提出的靜電播種，英國(guó)提出的液體播種等。現(xiàn)在廣泛流傳的一種先進(jìn)的科學(xué)播種方法— 種子帶播種，它起源于日本，這種播種方法已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用【7】。 目前較為成熟的產(chǎn)品主要有英國(guó)產(chǎn)的Hamilton播種機(jī)，有針式、滾筒式兩種。Hamilton針式播種機(jī)從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進(jìn)行播種，播種精度高達(dá)99.9%(對(duì)干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達(dá)2400行/小時(shí)(128穴的穴盤(pán)最多每小時(shí)可播150盤(pán));Hamilton滾筒式播種機(jī)是適用于大中型育苗場(chǎng)的高效率精密播種機(jī)，適合絕大部分花卉、蔬菜等種子，播種精度可達(dá)99%(對(duì)干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達(dá)18000行/小時(shí)(128穴的穴盤(pán)最多每小時(shí)可播1100盤(pán))。這兩種播種機(jī)均可以無(wú)級(jí)調(diào)速，能在各種穴盤(pán)、平盤(pán)或栽培缽中播種，并可進(jìn)行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國(guó)大東機(jī)電株式會(huì)社生產(chǎn)的真空氣吸式播種機(jī)，適用于小于瓜類(lèi)種子的各類(lèi)蔬菜種子及花卉種子，分為全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種機(jī)型，全自動(dòng)機(jī)型的工作程序包括基質(zhì)混拌、裝盤(pán)、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動(dòng)機(jī)型包括挖穴、覆土兩項(xiàng)程序。此外，還有美國(guó)的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】。 1.2.2 國(guó)內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 我國(guó)從2 0世紀(jì)60年代開(kāi)始研制氣力式播種機(jī)，當(dāng)時(shí)遼寧省農(nóng)機(jī)所研制了6行氣吸式播種機(jī)，該機(jī)可精播玉米、大豆、花生。但是由于風(fēng)機(jī)及萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)故障多，工作不可靠，沒(méi)能得到推廣。20世紀(jì)70年代我國(guó)加強(qiáng)了半精量和精量播種技術(shù)的引進(jìn)、研究和試驗(yàn)。1979年中國(guó)農(nóng)機(jī)院引進(jìn)了4種精播機(jī)(西德氣吸、氣吹兩種，法國(guó)氣吸式，美國(guó)指夾式)，并分別對(duì)它們的性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國(guó)的定型產(chǎn)品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機(jī)。遼寧省農(nóng)機(jī)研究所也經(jīng)多年的改進(jìn)試驗(yàn)研制出了與鐵牛-55拖拉機(jī)配套的2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機(jī).該機(jī)采用垂直圓盤(pán)氣吸式排種器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起壟、播種、中耕、培土等作業(yè)。20世紀(jì)80年代我國(guó)擴(kuò)大了精播機(jī)的試驗(yàn)、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號(hào)的氣力式播種機(jī)，如威海市農(nóng)機(jī)所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機(jī)，煙臺(tái)地區(qū)農(nóng)機(jī)所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機(jī)，大連市農(nóng)機(jī)化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機(jī)，山西省農(nóng)機(jī)所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機(jī)?！鞍宋濉逼陂g，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制出了2XB-300型孔齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)式穴盤(pán)育苗精量播種機(jī)，該裝置適合于播中等大小的丸?；N子。到了20世紀(jì)90年代播種機(jī)由單一播種發(fā)展到了播種、施肥、鋪膜聯(lián)合作業(yè)。近幾年，精密播種技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HNJ97-1型水稻精量播種機(jī)，利用電磁振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)精量播種，但其造價(jià)較高。南京農(nóng)機(jī)化研究所和江蘇大學(xué)共同研制的2QB-330型氣吸振動(dòng)式秧苗盤(pán)精量播種機(jī)，應(yīng)用振動(dòng)氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達(dá)到了90%以上【6，9，10】。 對(duì)于氣吸針式排種器，在我國(guó)自行研制的蔬菜、花卉工廠化育苗播種機(jī)中已開(kāi)始應(yīng)用，而對(duì)于滾筒氣吸式排種器，由于其氣密性很難控制等原因，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的專(zhuān)門(mén)用于蔬菜、花卉工廠化育苗的滾筒氣吸式排種器還很少。 1.3 本文研究的內(nèi)容 由于原有的氣吸滾筒式精密排種器存在漏氣量大、排種不均勻、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活及磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，本課題就其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于播種油菜等小顆粒作物。本論文開(kāi)展以下幾方面工作： 1. 對(duì)原有氣吸滾筒式精密排種器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。 2. 建立種子在吸孔氣流作用下的受力模型，研究種子的吸附條件，分析各種因素對(duì)播種質(zhì)量的影響。 3. 運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)排種器進(jìn)行氣流場(chǎng)分析和模擬，分析吸孔的形狀、導(dǎo)程和吸孔孔徑的大小對(duì)吸種性能的影響。同時(shí)對(duì)吸種滾筒正負(fù)壓區(qū)進(jìn)行模擬仿真。 第二章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1.1 總體結(jié)構(gòu) 氣吸滾筒式精密排種器總體結(jié)構(gòu)布局如圖2-1所示。 1. 滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負(fù)壓軸 7.中夾板 8.正壓軸 9.軸承蓋 10.密封蓋 11.種箱 12.種箱側(cè)板 圖2-1 排種器總體結(jié)構(gòu)布局圖 圖2-2 結(jié)構(gòu)示意圖 2. 氣吸滾筒式精密排種器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示，主要由1.滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負(fù)壓軸 7.中夾板 8.正壓軸9.軸承蓋10.密封蓋11.種箱 12.種箱側(cè)板等組成。其特點(diǎn)為正壓腔中的正壓腔大小夾板，便于適時(shí)調(diào)節(jié)壓緊面。種箱側(cè)的進(jìn)氣口，使種箱中的種子產(chǎn)生向上的拋擲運(yùn)動(dòng)，種子間接觸減少，相互分離呈沸騰狀態(tài)【11】，便于滾筒吸種。其具體的排種器裝配圖如圖2-3所示。 1.滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負(fù)壓軸 7.中夾板 8.正壓軸 9.軸承蓋 10.密封蓋 圖2-3 排種器裝配圖 2.1.2 工作原理 如圖2-2所示，排種器的滾筒內(nèi)腔是一全封閉的真空負(fù)壓室，滾筒表面的吸孔與真空室相通。播種時(shí)，空吸機(jī)通過(guò)負(fù)壓軸6上的吸孔吸走滾筒表面內(nèi)腔的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié)L筒1上吸孔的兩端形成負(fù)壓差，滾筒繞固定空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒1上的吸孔經(jīng)過(guò)種子箱11時(shí)，種子在吸孔負(fù)壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒1一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滾筒1轉(zhuǎn)至正下方正壓腔3時(shí)，負(fù)壓被切斷，種子在自重和正壓的作用下落到種盤(pán)里。 2.2 排種器的設(shè)計(jì)【12，13，14】 影響排種器吸排種性能的因素主要有：吸孔的形狀及大小、滾筒內(nèi)部正負(fù)壓的大小、種箱內(nèi)的氣流強(qiáng)度高低及滾筒轉(zhuǎn)速等。是否合理選擇吸孔的形狀大小、滾筒內(nèi)部正負(fù)壓、氣流強(qiáng)度及滾筒轉(zhuǎn)速將顯著影響排種器的吸排種性能。 2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計(jì) 選擇了三種形狀的吸孔，分別為直孔、錐形孔和沉孔，見(jiàn)圖2-4?？梢酝ㄟ^(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)吸孔形狀和大小。 圖2-4 吸孔結(jié)構(gòu)型式 2.2.2 排種滾簡(jiǎn)內(nèi)部正負(fù)壓腔的設(shè)計(jì) 如圖2-2所示，空心軸分為左右兩部分，通過(guò)中夾板7隔開(kāi)，中夾板7左邊一段軸上開(kāi)有吸孔，與滾筒1上的吸孔相通，空心軸與正壓腔相連。工作時(shí)，負(fù)壓軸6通過(guò)空吸機(jī)吸氣形成負(fù)壓，負(fù)壓軸6與滾筒1表面的吸孔之間形成負(fù)壓腔，同時(shí)正壓軸8通正壓氣體，正壓腔3與滾筒內(nèi)壁之間形成正壓腔。大小夾板的作用是調(diào)節(jié)正壓腔3與滾筒內(nèi)壁的壓緊程度，防止磨損漏氣。 2.2.3 氣流振動(dòng)系統(tǒng)的原理及選用【9,15】 種箱的振動(dòng)由激振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，而由于激振方法的不同，激振機(jī)構(gòu)的類(lèi)型有機(jī)械式、電磁式、液壓式及氣動(dòng)式等。 本文采用的振動(dòng)系統(tǒng)是氣動(dòng)式。工作時(shí)，氣吸機(jī)通以氣流，通過(guò)種箱側(cè)面氣孔，使種箱中的種子產(chǎn)生向上的拋擲運(yùn)動(dòng)，形成“沸騰”狀態(tài)，利于吸種。 氣流振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2-5所示。 圖2-5 氣流振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型 振動(dòng)系統(tǒng)受恢復(fù)力和激振力的作用，彈性恢復(fù)力可產(chǎn)生自激振動(dòng)。彈簧使物體回到平衡位置的彈性恢復(fù)力與物體離開(kāi)平衡位置的位移成正比，其方向和物體的位移方向相反。由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到阻尼的作用，使振動(dòng)逐漸趨于停止。阻力的方向總是與運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)振動(dòng)不大時(shí)，其大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。由激振器產(chǎn)生的輸出為: (2-1) 式中:B - 受迫振動(dòng)的振幅，即為激振器輸出的振幅; - 受迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)角頻率; - 相位角。 在持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)條件下，當(dāng)振動(dòng)的頻率和系統(tǒng)的固有頻率相差很大的情況下，可以認(rèn)為系統(tǒng)只隨激振系統(tǒng)作用。此時(shí)有: (2-2) 由式(2-2)可以看出，在振動(dòng)系統(tǒng)偏離系統(tǒng)固有頻率的條件下，系統(tǒng)的振動(dòng)為簡(jiǎn) 諧振動(dòng)，受迫振動(dòng)的頻率與激振力的頻率一致，則受迫振動(dòng)的振幅為: (2-3) 式中: - 與激振力相等的靜力作用下的靜位移: - 頻率比，；- 激振力的頻率，- 系統(tǒng)的固有頻率； - 相對(duì)阻尼系數(shù)。 則系統(tǒng)的受迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為: (2-4) 由此知，受迫振動(dòng)的幅值取決于，，。 與系統(tǒng)的剛度成反比，與激振力成正比，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，可以通過(guò)改變激振力的大小來(lái)改變振動(dòng)系統(tǒng)的振幅。振動(dòng)系統(tǒng)的頻率取決于激振器的振動(dòng)頻率，可以通過(guò)改變激振器的輸出頻率來(lái)改變振動(dòng)系統(tǒng)的頻率。 當(dāng)<< 1 時(shí)，即<<，表明激振頻率很低，隨著激振頻率的增加，系統(tǒng)振幅B也增加。當(dāng)> 0.7 ，如果系統(tǒng)的阻尼很小，振幅則增加較快。 當(dāng) >> 1 時(shí)，無(wú)論阻尼多大，系統(tǒng)的振幅都比較小。這是由于激振頻率很高，激振力方向變化比較迅速。振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量部件不可能隨著激振力方向的變化而迅速變化。 當(dāng)= 1 時(shí)，激振頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等。系統(tǒng)的振幅達(dá)到最大，產(chǎn)生共振。 通過(guò)以上分析，希望振動(dòng)系統(tǒng)在小于系統(tǒng)固有頻率的狀態(tài)下工作。振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇可以參考上述對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行。 2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 如圖2-3的裝配圖所示，該排種器對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì): 1.主軸(空心軸)結(jié)構(gòu)優(yōu)化： 該排種器采用了一根空心軸形成兩個(gè)壓腔的設(shè)計(jì)，空心軸3被橡膠塞2分成了兩個(gè)半軸，左半軸連接負(fù)壓氣管，右半軸接正壓氣管，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既消除了因采用兩根獨(dú)立半軸所形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)而使同軸度得不到保證的問(wèn)題，又消除了結(jié)構(gòu)上因滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)而使軸承磨損加劇的問(wèn)題。 2，采用螺紋導(dǎo)程件定位： 在排種器的結(jié)構(gòu)中，螺紋導(dǎo)程件7的作用是在滾筒1與隔氣板9在相互接觸運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中使隔氣板始終沿著滾筒的軸線方向而不發(fā)生偏離和旋轉(zhuǎn)。螺紋導(dǎo)程件的采用更好地解決了因零件間的接觸運(yùn)動(dòng)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定及漏氣等問(wèn)題。 3.彈簧結(jié)構(gòu)： 該排種器在結(jié)構(gòu)上的另一改進(jìn)是采用了彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧的采用能夠使隔氣板更好地與滾筒內(nèi)壁進(jìn)行結(jié)合并適時(shí)壓緊，減少了因摩擦而導(dǎo)致的磨損漏氣的問(wèn)題。 4.激振裝置： 為了減少種箱中種子間的內(nèi)摩擦系數(shù)，增加其流動(dòng)性，采用了電磁振動(dòng)系統(tǒng)，這樣種子在電磁振動(dòng)系統(tǒng)的作用下，在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于排種器的吸種。 5. 排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)： 在試驗(yàn)研究中采用的是JPS-12排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，它是通過(guò)分析與總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有排種器試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)精巧，使用方便，檢測(cè)手段先進(jìn)，滿足了氣力式排種器試驗(yàn)研究的需要。 2.4 本章小結(jié) 根據(jù)氣吸滾筒式精密排種器的工作原理，對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。通過(guò)對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了同軸度及軸承磨損等問(wèn)題;螺紋導(dǎo)程件及彈簧結(jié)構(gòu)的采用，解決了系統(tǒng)的氣密性及運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等問(wèn)題:采用新式正壓腔與優(yōu)化的種箱結(jié)合在排種器性能上更有利于提高排種器的吸種效果。 本章對(duì)氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)為下面的仿真奠定了基礎(chǔ)。 第三章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析 3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定 3.1.1 吸附力及其影響因素 在吸孔附近，種子處于具有一定氣體流速的流場(chǎng)中，假設(shè)種子在流場(chǎng)中為具有同一尺寸的均勻球體，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理可知，種子受到流體的阻力推動(dòng)，即繞流阻力產(chǎn)生的對(duì)種子的吸附效果(又稱(chēng)為吸附力)，控制了種子在吸孔附近的運(yùn)動(dòng)。 設(shè)氣體的密度為P，則種子所受的吸附力為【16，17】 （3-1） 式中：—阻尼力系數(shù)，與種子的形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān)，如果種子形狀接近球體，則其值約為0.44。 A - 種子在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的平面上的投影面積，。 - 吸孔周?chē)臍饬髌骄俣?，m/s 。 d - 種子的直徑，m 。 若吸孔阻力系數(shù)定義，則通過(guò)吸孔的氣流平均速度可表示為 (3-2) 式中一吸孔內(nèi)外壓力差，Pa 。 已知吸孔直徑為，則通過(guò)單個(gè)吸孔的空氣流量為 (3-3) 式(3-2)代入式(3-3)得 (3-4) 對(duì)于不同形式的吸孔，F(xiàn)allak S .Sial和Sverker P .E. Persson 在論文中以錐形孔(如圖3-1)為例作了闡述【18】，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他們的論文中也進(jìn)行過(guò)研究【19，20】。 設(shè)在距吸孔中心點(diǎn)為x的地方為種子被吸上吸孔的臨界位置，此時(shí)氣流平均速度為： (3-5) 式(3-4)代入式(3-5)得： (3-6) 式(3-6)代入式(3-1)得： (3-7) 式(3-5)代入式(3-1)得： (3-8) 各因素對(duì)吸附力的影響分析如下: ① 由式(3-7)得知，種子所受吸附力F的大小與d，四次方成正比，與Ap成正比。即吸孔直徑越大，吸孔內(nèi)外壓差越大，吸附力越大。吸附力過(guò)大雖利于吸種，但易造成重播。 ② 由式(3-8)得知，種子所受吸附力F的大小與總空氣流量Q成正比例的關(guān)系，與“成反比例的關(guān)系?！霸酱螅現(xiàn)越小。 ③ 由式(3-7)和式(3-8)可知，吸附力F與吸種高度x的四次方成反比，故x的變化將顯著影響種效果。當(dāng)x趨向于零，吸種力急劇增大，有利于吸種，但同時(shí)會(huì)造成重播率的增加;當(dāng)x增大，吸種力會(huì)急劇減小，不利于吸種，同時(shí)易造成空穴率的增加。 3.1.2 吸種高度及影響因素 經(jīng)過(guò)理論分析，當(dāng)種子受到氣流作用被吸起時(shí)，有平衡方程【21，22，24】： ( 3- 9) 式中：- 種子密度，； - 種子體積，； g - 重力加速度，； - 空氣密度，； - 阻力系數(shù)； - 種子在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，； - 懸浮速度， 。 對(duì)于圓形種子，式(3-9)可以寫(xiě)成【21，24，27】： (3-10) 式中- 種子的直徑，m 。 式(3-9)也可以運(yùn)用于扁平或者橢圓形的種子模型，在這種情況下【24】 (3-11) 式中- 橢圓種子的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，m ； - 橢圓種子的短軸長(zhǎng)度，m ； 當(dāng)氣流速度大于，種子受一向上的加速度而被吸起，流速大小與真空度成比例，并在吸孔處達(dá)到最大值。假設(shè)空氣為理想氣體，氣流從離吸孔較遠(yuǎn)的自然狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到吸孔處是一個(gè)絕熱等嫡的過(guò)程，即： (3-12) 式中：p - 大氣壓力，Pa ；k - 定壓和等容下的比熱率。 (3-13) R - 普適氣體恒量， ；T - 空氣的絕對(duì)溫度，k 。 對(duì)于可壓縮流體，應(yīng)用Bernouli定理并假設(shè)氣流初始速度為0，則： (3-14) 式中：- 自然狀態(tài)下空氣的速度，m/s ； - 吸孔處的氣流速度，m/s ； - 空氣位于自然狀態(tài)位置相對(duì)于任一水平面的高度，m ； - 空氣位于吸孔位置相對(duì)于任一水平面的高度，m 。 考慮到，，(3-14)式可以寫(xiě)成： (3-15) 對(duì)于絕熱等熵過(guò)程，式(3-12)可以寫(xiě)成： (3-16) 式中：- 自然狀態(tài)下大氣壓力，Pa ； - 空氣自然狀態(tài)下的密度， 。 式(3-16)代入式(3-15)，得： (3-17) 則 (3-18) 式中：- 吸口處的全壓，Pa 。 即 (3-19) 在理想狀況下，對(duì)于自然狀態(tài)下的氣體方程可以表示為： (3-20) 式中：- 空氣自然狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，k 。 式(3-20)代入式(3-19)得： 滾筒吸孔處的氣流速度 (3-21) 式(3-21)成立的條件是小于聲速。假設(shè)空氣流是一維等嫡的，氣流速度在吸口處達(dá)到聲速時(shí)真空室內(nèi)真空度達(dá)到極限值，則： (3-22) 當(dāng)，k=1.41 時(shí)，得 ， 由此可得真空度的極限值： 吸孔處的氣體流量 (3-23) 式中：- 吸孔直徑，m 。 將式(3-23)代入式(3-5)式得： (3-24) 把式(3-21)代入式(3-24)得： (3-25) 把式(3-25)代入式(3-10)得到從吸孔處所能吸附種子的最大吸種高度x為： (3-26) 各因素對(duì)吸種高度的影響分析如下： 滾筒上吸孔的吸種高度與吸孔直徑、負(fù)壓大小、種子密度及種子大小有關(guān)。滾筒上的吸孔直徑越大，吸孔上的負(fù)壓越大，則吸種高度越大;而種子密度越大，種子半徑越大，錐角越大，則吸種高度越小。 3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過(guò)程及其影響因素的分析 氣吸滾筒式排種器吸種過(guò)程是指種子在吸孔氣流下，從種子群中分離出來(lái)被滾筒吸孔吸附和帶出的過(guò)程，可分為吸附和帶出兩個(gè)階段【23】。 3.2.1種子從種箱到被吸孔吸附過(guò)程分析 有效的吸附一般都發(fā)生在種子群的表面，并且是在很短時(shí)間內(nèi)完成的過(guò)程。作用在種子上的力及其變化是很復(fù)雜的，為便于問(wèn)題的分析，下面對(duì)此過(guò)程作一些假設(shè)。 1) 假設(shè)種子的形狀為一球體，半徑為，密度為，則質(zhì)量為： (3-27) 2) 假設(shè)種子的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)勻加速直線運(yùn)動(dòng)，種子吸附過(guò)程所需時(shí)間是相同的(因?yàn)闀r(shí)間非常短，其差異必然也非常小)，即都是在吸孔轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度時(shí)完成吸附過(guò)程的。 3) 在吸附過(guò)程中，作用在種子上的氣流吸力雖然是一個(gè)大小和方向都在發(fā)生變化的力，但因?yàn)樽饔脮r(shí)間非常短，可假設(shè)它為一個(gè)大小和方向都一定的力。的方向可取為種子初始的重心位置A和完成吸附時(shí)吸孔中心位置C的連線方向。 根據(jù)上述假設(shè)，種子的初始位置A可用角度和種子與滾簡(jiǎn)間的最短距離兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示，完成吸附時(shí)的位置B用角度來(lái)表示。這樣，吸孔能否吸上種子的條件是：在氣流吸力的作用下，種子必須在滾筒轉(zhuǎn)過(guò)角度的時(shí)間內(nèi)從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。 種子在發(fā)生吸附前處于振動(dòng)狀態(tài)，受到振動(dòng)慣性力的作用，但這是一個(gè)在大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生變化的力。在種子振動(dòng)幅度比較小的情況下，振動(dòng)慣性力可以忽略而不考慮。這樣，種子在發(fā)生吸附前的受力主要有：吸孔內(nèi)外側(cè)壓差造成的氣流吸力、種子本身的重力和摩擦力，如圖3-3所示 圖中 圖3-2 吸種過(guò)程示意圖 圖3-3 種子的受力示意圖 在作了上述簡(jiǎn)化后，沿滾筒AB連線的方向?qū)ΨN子進(jìn)行力的分解： (3-28) 由式(3-28)可得，這時(shí)種子被吸向吸孔的條件為： (3-29) 這時(shí)種子的加速度為： (3-30) 根據(jù)假設(shè)，種子在吸力F的作用下的有效運(yùn)動(dòng)時(shí)間為: (3-31) 式中：- 滾筒的角速度(弧度/秒)。 種子在時(shí)間內(nèi)的位移為： (3-32) 把式(3-27)、(3-30)、(3-31)代入式(3-32)可得： (3-33) 根據(jù)三角形的余弦定理，由圖3-2可知AB之間的距離為： (3-34) 這樣吸孔吸住種子的條件可用下式來(lái)表示： (3-35) 把式(3-33)、(3-34)代入式(3-35)可得吸種條件為： (3-36) 由圖可知，式(3-36)中的的計(jì)算如下： (3-37) (3-38) 其中， ，。當(dāng)一定時(shí)，和均為定值，則隨著的增大而增大。 分析式(3-36)可知，影響吸種可靠性的因素很多。 1. 轉(zhuǎn)速的影響：在其它參數(shù)不變時(shí)，增大轉(zhuǎn)速，意味著滾筒轉(zhuǎn)過(guò)角所需時(shí)間將變短，種子的運(yùn)動(dòng)距離S將變小，這對(duì)吸種顯然是不利的。 2. 角度的影響：當(dāng)增大時(shí)也隨著增大，種子重力G在AB方向上的分力將變小，種子的平均加速度將增大。所以增大對(duì)提高吸種的可靠性是有利的。 3. 從可以看出，種子與吸孔間的距離x增大時(shí)，AB兩點(diǎn)間的距離將增大，這時(shí)的F也將很快變小。由此可見(jiàn)，種子與吸孔間的距離x對(duì)吸種可靠性的影響非常大，x越大，越不利于吸種。 在概率統(tǒng)計(jì)上，種子與吸孔間的距離x的平均值與很多因素有關(guān)。當(dāng)種子的形狀不規(guī)則、種子的單粒化程度低或者種子補(bǔ)位不及時(shí)時(shí)，都將使x增大，影響吸種的可靠性。其中造成種子補(bǔ)位不及時(shí)的原因是滾筒轉(zhuǎn)速太高或者是吸孔間的行距太小。 3.2.2 種子被吸附到滾筒上并隨之運(yùn)動(dòng)的條件 當(dāng)種子被吸附住后，除受到吸力F、重力G、支持力N外，還受到慣性離心力和滾筒對(duì)它的摩擦力大的作用。 種子在摩擦力f,的作用下，被滾筒帶出種箱的條件是在切線方向有： (3-39) 摩擦力可用下式表示： (3-40) 把式(3-40)代入式(3-39)，有： (3-41) 即： (3-42) 式中：- 吸孔附近種子與滾筒的摩擦角，弧度； - 種子與滾筒軸線所在水平面的夾角，弧度。 式(3-42)就是種子在吸孔氣流的作用下被滾筒帶出種箱的條件。如果貼在滾筒上種子距離吸孔較遠(yuǎn)，這時(shí)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，慣性離心力也可以忽略不計(jì)。這時(shí)，式(3-42)可以寫(xiě)成下式： (3-43) 式(3- 43)表明，當(dāng)種子與滾筒的摩擦角大于或等于種子與滾筒軸線所在水平面的夾角的余角時(shí)，種子在只有摩擦力的作用下也將被帶出種箱。 分析式(3-42)可知，增大種子與滾筒軸線所在水平面的夾角有利于滾筒帶出種子；相反，當(dāng)減小時(shí)，則對(duì)種子的帶出不利。 如果有多粒種子貼近吸孔，即使各種子受到的氣流吸力F不是很大，但在摩擦力的作用下也可能被滾筒帶出種箱，很容易造成一孔吸多粒的現(xiàn)象。特別是當(dāng)較大時(shí)這種現(xiàn)象更容易發(fā)生。 種子被滾筒帶出種箱后，要保證種子不在重力的作用下從吸孔上自動(dòng)掉下來(lái)，摩擦力必須始終大于種子重力的分力。 式(3-42)是當(dāng)種子在II、III象限時(shí)所在的形式。當(dāng)種子在I、IV象限時(shí)，，式(3-42)應(yīng)寫(xiě)成下式： (3-44) 將式(3-44)的右邊對(duì)求導(dǎo)，并令其等于零： (3-45) 解式(3-45)可得： 。這時(shí)，式(3-44)的右邊取得最大值，即種子在這個(gè)位置最易脫落。 3.3 氣吸滾筒式精密排種器的排種過(guò)程分析 3.3.1 排種誤差 J.M. Wilson在論文中對(duì)排種階段進(jìn)行了分析【26~28】，如圖3-5所示， 圖3-5 排種過(guò)程示意圖 種子在脫離排種滾筒的瞬間的水平速度： (3-46) 式中：- 機(jī)組前進(jìn)速度，m/s ； - 滾筒的圓周速度，m/s ； - 排種點(diǎn)和圓心的連線與垂直方向的夾角，弧度。 種子在脫離排種滾筒的瞬間的垂直速度： (3-47) 種子飛行落到土壤表面所經(jīng)過(guò)的距離表示為： (3-48) 式中：- 種子運(yùn)動(dòng)時(shí)間， 。 種子脫離排種滾筒時(shí)的水平誤差： (3-49) 式中：- 滾筒半徑，m ， 種子脫離排種滾筒時(shí)的垂直誤差： (3-50) 種子下落的時(shí)間由下式求得： (3-51) 式中：- 滾筒正下方距地面的垂直距離，m 。 從而得： (3-52) 由播種機(jī)前進(jìn)速度所引起的排種誤差為： (3一53) 從圖3-5可以看出，種子從滾筒正下方的投影點(diǎn)C點(diǎn)到實(shí)際落地碰撞點(diǎn)之間總的距離為： (3-54) 式中：- 排種位置距離滾筒中心垂線的水平距離，m. 。和的正負(fù)取決于的 值。 從理想點(diǎn)排種的實(shí)際距離如下： (3-55) 式中：- 重力加速度， 。 位置誤差： (3-56) 結(jié)合式(3-48), (3-49)、(3-53)和(3-54)得： (3-57) 總的位置誤差： (3-58) 3.3.2 種子落地碰撞角和碰撞速度 圖3-6 種子下落時(shí)的受力分析 如圖3-6所示， (3-59) 式中：- 種子落地瞬時(shí)速度，m/s; - 的水平分量，m/s; - 的垂直分量，m/s. 若空氣阻力忽略不計(jì)，則： (3-60) 由拋射理論，得： (3-61) 碰撞角表達(dá)式，化簡(jiǎn)得： (3-62) 碰撞速度表達(dá)式 (3-63) 3.3.3 排種過(guò)程影響因素分析 1． 由式(3-58)和式(3-63)看出，當(dāng)滾筒與地面間的高度H一定，種子在滾筒正下方下落時(shí)，如果種子在滾筒圓周上的速度與播種機(jī)前進(jìn)速度大小相等，方向相反，可以實(shí)現(xiàn)零速投種，此時(shí)排種的位置誤差E為零，種子與地面的碰撞速度最小。這時(shí)播種效果最好，是最期望得到的結(jié)果. 2． 由式(3-58)、式(3-62)和式(3-63)可知，對(duì)于給定的排種誤差角，當(dāng)一定時(shí)，排種高度H對(duì)位置誤差E和碰撞角度影響不大，但是對(duì)碰撞速度有影響。若使碰撞速度盡可能小，則播種滾筒應(yīng)盡可能接近于地面以減小高度，從而有利于減小種子的彈跳距離，同時(shí)可減小種子在飛行過(guò)程中的不穩(wěn)定性。 3． 當(dāng)一定，隨著機(jī)組前進(jìn)速度的增加，E和均隨之增加，而隨之減小。 由上述分析可知，為了達(dá)到較好的播種效果，排種時(shí)應(yīng)盡可能使種子的水平速度分量接近于零，同時(shí)使播種滾筒離地高度盡可能小，這樣可以使種子定位精確，減小種子下落時(shí)的反彈。 3.4 本章小結(jié) 對(duì)氣吸滾筒式精密排種器的吸種及排種過(guò)程進(jìn)行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學(xué)模型，并對(duì)它們的影響因素進(jìn)行了分析。通過(guò)本章的理論分析可知，為了使排種器更加有效地吸排種，應(yīng)使過(guò)種箱及滾筒中心線的平面與水平面的夾角盡可能大，即種箱離滾筒中心水平面越高越有利于吸種；為了實(shí)現(xiàn)零速排種，要盡可能使排種區(qū)位于滾筒的正下方，同時(shí)使播種滾筒離地高度盡可能小，減小種子下落時(shí)的反彈。 本章為排種器的優(yōu)化及試驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。 第四章 氣吸滾筒式精密排種器氣流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真 4.1 ANSYS簡(jiǎn)介【29~32】 ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁、熱、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析軟件，與其他大型有限元分析軟件相比，其最突出的特點(diǎn)是友好的程序用戶界面和完整強(qiáng)大的圖形交互能力，從而極大地方便了用戶的操作。它擁有豐富的單元庫(kù)和材料庫(kù)，用戶可以根據(jù)具體的分析對(duì)象選取合理的單元及材料特性，除此之外，用戶還可以自定義材料特性，以滿足特殊情況的需要。ANSYS能夠高效地求解各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、斷裂力學(xué)等問(wèn)題。它具有完善的前后處理模塊和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口，因而是計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、工程數(shù)值分析和仿真的有效工具。 ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD (Computational Fluid Dynamics)的分析功能是一個(gè)用于分析二維和三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具。FLOTRAN能夠用于如下的分析： (1) 層流或湍流分析 層流中速度場(chǎng)都是平滑而有序的，高粘性流體(如石油等)的低速流動(dòng)通常是層流。 湍流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低而引起湍流波動(dòng)的流體流動(dòng)情況，ANSYS中的二次湍流模型可用來(lái)解決在平均流動(dòng)下湍流速度波動(dòng)的影響。如果流體的密度在流動(dòng)過(guò)程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量，該流體就可認(rèn)為是不可壓縮的，不可壓縮的溫度方程將忽略流體動(dòng)能的變化和粘性耗散。 (2) 傳熱或絕熱分析 流體分析中通常要求解流場(chǎng)中的溫度分布情況，如果流體性質(zhì)不隨溫度而變，就可不解溫度方程而使流場(chǎng)收斂。 (3) 可壓縮或不可壓縮流體分析 對(duì)于高速氣流，由很強(qiáng)的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著地影響流體的性質(zhì)，ANSYS對(duì)于這種流動(dòng)情況會(huì)使用不同的計(jì)算方法。 (4) 牛頓流或非牛頓流分析 應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不足以解釋很多流體的流動(dòng)，對(duì)于這種非牛頓流體，ANSYS軟件提供了三種粘性模型和一個(gè)用戶自定義的子程序。 (5) 多組分傳輸分析 這種分析一般是用于研究有毒流體性質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時(shí)，它也可以用于研究含有多種流體同時(shí)存在且相互被固體分開(kāi)的熱交換分析。一個(gè)典型的FLOTRAN分析將有如下七個(gè)主要分析步驟： 1　 確定問(wèn)題的分析區(qū)域 2　 確定流體的狀態(tài) 3　 生成有限元網(wǎng)格 4　 施加邊界條件 5　 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù) 6　 求解 7　 檢查結(jié)果 4.2 ANSYS仿真初始邊界條件的設(shè)定 4.2.1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀及初始化條件 圖4-1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀 由于氣流在吸孔中是軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的，因此可以簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行求解。利用FLOTRAN CFD的FLUID141單元來(lái)作二維分析，作了以下假設(shè): (1) 排種器吸孔進(jìn)口氣流速度均勻，并且垂直于進(jìn)口流場(chǎng)方向上的流體速度為零。 (2) 在所有壁面上施加無(wú)滑移邊界條件(即所有速度分量都為零)。 利用ANSYS進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)各參數(shù)如下： 流體性質(zhì) :空氣 流體的密度:1.20 5kg/m3 流體的粘度:1.83 X 1 03Pa. s 吸孔入口壓力:1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 吸孔出口壓力:0P a 參考大氣壓:1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa 參考溫度:200C，即293K 試驗(yàn)條件:絕熱 4.2.2 流態(tài)的判別一雷諾數(shù)【32~34】 粘性流體運(yùn)動(dòng)有兩種形態(tài)，即層流流態(tài)和紊流流態(tài)。處于層流流態(tài)的流體，質(zhì)點(diǎn)呈有條不紊、互不摻混的層狀運(yùn)動(dòng)形式:而處于紊流流態(tài)的流體，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式以雜亂無(wú)章、相互摻混與渦體旋轉(zhuǎn)為特征。將紊流流態(tài)向?qū)恿髁鲬B(tài)轉(zhuǎn)換的臨界流速稱(chēng)為下臨界流速，由層流流態(tài)向紊流流態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界流速稱(chēng)為上臨界流速。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ，臨界流速的大小與管徑d 以及流體的運(yùn)動(dòng)粘度有關(guān)，即 (4-1) 或 (4-2) 其中與是無(wú)量綱常數(shù)，稱(chēng)為下臨界雷諾數(shù)，為上臨界雷諾數(shù)。通過(guò)對(duì)各種流體與不同管徑的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是一個(gè)常數(shù) 即下臨界雷諾數(shù)不隨著流體性質(zhì)、管徑或流速大小而變。然而，上臨界雷諾數(shù)一般不為常數(shù)，因?yàn)榱鲃?dòng)由層流流態(tài)向紊流流態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于流動(dòng)所受到的外界擾動(dòng)程度。一般地 為了判別圓管流動(dòng)的流態(tài)類(lèi)型，定義無(wú)量綱參數(shù) (4-3) 其中表示實(shí)際發(fā)生的斷面平均流速，為流體密度，為特征尺寸(如管道直徑)，為流體的粘性系數(shù)，稱(chēng)Re為雷諾數(shù)。從理論角度來(lái)看，當(dāng)層流的時(shí)，盡管層流開(kāi)始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但如果沒(méi)有外界擾動(dòng)，層流流態(tài)可以繼續(xù)維持下去，直至 。然而上臨界雷諾數(shù)依賴(lài)于外界擾動(dòng)的程度，而且在實(shí)際流動(dòng)中擾動(dòng)總是存在的，因此用來(lái)判別流態(tài)是沒(méi)有什么實(shí)際意義的。在工程實(shí)際中，通常采用下臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)； 層流流態(tài)： 紊流流態(tài)： ANSYS模擬試驗(yàn)中，如暫取, m/s, mm，kg /(m ·s)，得雷諾數(shù)： 故模擬試驗(yàn)中的流場(chǎng)為紊流流場(chǎng)，反之則為層流流場(chǎng)。 4.2.3 流體可壓縮性的判別——馬赫數(shù)【35，36】 馬赫數(shù)是流體力學(xué)中表征流體壓縮性影響的相似準(zhǔn)數(shù)。記作Ma。 (4-4) 式中為流場(chǎng)中某點(diǎn)的流速；為當(dāng)?shù)芈曀?；為比熱比；為氣體常數(shù)；為熱力學(xué)溫度。在不可壓縮流動(dòng)中，流體密度不變，聲速為無(wú)限大，馬赫數(shù)為零。在可壓縮流動(dòng)中，馬赫數(shù)越大，流體的密度變化越大，即流體表現(xiàn)出的可壓縮性越大。通常，按不同的馬赫數(shù)范圍，把流動(dòng)劃分為低速流動(dòng)(Ma <0.3)、亞聲速流動(dòng)(0.35)等。 ANSYS模擬試驗(yàn)中，如暫取m/s，對(duì)于空氣，N·m/(kg·K)，K，代入公式，得： 故流體為可壓縮流，反之則為不可壓縮流。 4.3 仿真結(jié)果 吸種性能反映了排種器吸附種子的難易程度，而影響其主要的因素為吸孔。 4.3.1 吸孔形狀對(duì)吸種性能的影響 ANSYS仿真試驗(yàn)中，我們選取底部直徑均為2mm的直孔、錐形孔和沉孔作為試驗(yàn)對(duì)象。其試驗(yàn)結(jié)果如下： 圖4-2 吸孔為直孔的氣流場(chǎng)分布圖 圖4-3 吸孔為錐形孔的氣流場(chǎng)分布圖 圖4-4 吸孔為沉孔的氣流場(chǎng)分布圖 表4-1 三種類(lèi)型吸孔氣流入口速度表 圖4-5 三種類(lèi)型吸孔入口氣流速度 由圖4-2、圖4-3和圖4-4仿真結(jié)果得到表4-1和直方圖4-5。由流體力學(xué)知識(shí)可知，在氣流量相等的條件下，截面面積越大，則通過(guò)截面的氣流速度越小。對(duì)于直孔，由于其無(wú)截面積的變化， 故其入口處氣流平均速度和最大速度相等。而錐形孔和沉孔由于其入口處的橫截面積較大，故入口處的氣流速度比直孔要低。而由伯努利方程可知，氣流速度越大， 壓力越小，吸種性能越好，故直孔的吸種性能要好于錐形孔和沉孔，錐形孔的吸種性能次之，沉孔的吸種性能最差，但由于錐形孔和沉孔入口處的橫截面積較大，其吸種范圍較大，故孔型對(duì)吸種性能的影響有待試驗(yàn)驗(yàn)證。 4.3.2 吸孔導(dǎo)程對(duì)吸種性能的影響 我們選擇了吸孔導(dǎo)程分別為4mm、8mm和12mm的孔徑為2mm的直孔進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下： 圖4-6 吸孔導(dǎo)程為4mm，孔徑為2mm直孔的氣流場(chǎng)速度模擬圖 圖4-7 吸孔導(dǎo)程為8mm，孔徑為2mm直孔的氣流場(chǎng)速度模擬圖 圖4-8 吸孔導(dǎo)程為12mm，孔徑為2mm直孔的氣流場(chǎng)速度模擬圖 表4-2 三種導(dǎo)程的直孔入口氣流速度 圖4-9 三種導(dǎo)程的直孔入口處氣流速度 由圖4-6、圖4-7和圖4-8仿真結(jié)果得到表4-2和直方圖4-9。從表4-2和直方圖4-9可以看出，吸孔導(dǎo)程增加以后，吸孔入口處的氣流速度有所減少，但并不明顯。導(dǎo)程只起到了對(duì)氣流的調(diào)整和穩(wěn)定作用，增加導(dǎo)程提高了氣流的穩(wěn)定性，但對(duì)吸種性能的影響并不大【37】。 4